KR100818681B1 - METHOD OF REDUCING NOx IN DIESEL ENGINE EXHAUST - Google Patents
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Abstract
플라즈마가 이용된 선택적 촉매 환원을 위한 환원제로 에탄올(26)을 이용한 산소-함유 배기가스 스트림(12)내 질소산화물의 환원방법이다. 디젤엔진 또는 다른 린-번 파워 소스(10)로부터 발생된 배기가스(12)는 질소산화물, 특히 NO를 포함한다. 플라즈마 리액터(20)로부터 발생된 오존은 상기 배기가스 스트림(16)으로 주입되어 NO를 NO2로 변환시키고, 상기 플라즈마 주입 이후 에탄올(26)의 첨가가 뒤따른다. 이후 상기 배기가스 스트림(28)이 환원제로 에탄올이 존재하는 BaY(또는 NaY) 및 CuY 제올라이트 촉매를 포함하는 듀얼-베드 촉매 리액터(24)와 접촉함에 의하여 상기 NOx가 환원된다. 상기 촉매 리액터(24)로 공급되는 에탄올 대 NOx의 플라즈마 파워 밀도 및 몰비는 상기 플라즈마-촉매 시스템의 최적 성능을 위하여 촉매 온도의 함수로써 조절된다. 적어도 90%의 NOx 대 N2의 평균 변환이 200~400℃의 온도범위에서 달성된다.Reduction of nitrogen oxides in the oxygen-containing exhaust stream 12 using ethanol 26 as a reducing agent for selective catalytic reduction using plasma. Exhaust gas 12 generated from a diesel engine or other lean-burn power source 10 comprises nitrogen oxides, in particular NO. Ozone generated from the plasma reactor 20 is injected into the exhaust stream 16 to convert NO into NO 2 followed by the addition of ethanol 26 after the plasma injection. The NO x is then reduced by contacting the exhaust stream 28 with a dual-bed catalyst reactor 24 comprising BaY (or NaY) and CuY zeolite catalysts in which ethanol is present as the reducing agent. The plasma power density and molar ratio of ethanol to NO x fed to the catalytic reactor 24 is adjusted as a function of catalyst temperature for optimal performance of the plasma-catalyst system. An average conversion of NO x to N 2 of at least 90% is achieved in the temperature range of 200 to 400 ° C.
디젤엔진, 질소산화물, 환원, 에탄올, 촉매, 배기가스 Diesel Engine, Nitrogen Oxide, Reduction, Ethanol, Catalyst, Exhaust Gas
Description
본 발명은 일반적으로 디젤엔진과 같이, 연료 린 연소 혼합물(a fuel lean combustion mixture)로 작동되는 탄화수소 연료가 보급되는 파워소스(power source)로부터의 배기가스의 처리에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 상기 배기가스가 비금속(base metal)-교환된 제올라이트 촉매와 접촉되어 통과하기 전에, 분리되어 첨가된 에탄올 및 플라즈마 처리된 공기를 가지고 배기가스의 NOx 함량을 처리하는 것에 관한 것이다.The present invention relates generally to the treatment of exhaust gases from a power source to which hydrocarbon fuels operated with a fuel lean combustion mixture, such as a diesel engine, are replenished. More specifically, the present invention is directed to treating the NO x content of exhaust gases with separately added ethanol and plasma treated air before the exhaust gases are contacted and passed through a base metal-exchanged zeolite catalyst. It is about.
디젤엔진, 몇몇 가솔린이 보급되는 엔진 및 다수의 탄화수소가 보급되는 파워 플랜트는 개선된 연료 절약을 위하여, 화학양론적인 공기 대 연료 질량비보다 높은 상태에서 작동된다. 그러나, 이러한 린-버닝(lean-burning) 엔진 및 다른 파워 소스는 상대적으로 높은 함량의 산소 및 질소산화물(NOx)을 갖는 뜨거운 배기가스를 생산한다. 디젤엔진의 경우, 워밍업된 엔진으로부터의 배기가스의 온도는 통상적으로 200~400℃의 범위이며, 부피%로, 약 17%의 산소, 3%의 이산화탄소, 0.1%의 일산화탄소, 180ppm의 탄화수소, 235ppm의 NOx 및 나머지 질소와 물로 된 통상적 인 조성을 갖는다.Diesel engines, some gasoline-fueled engines, and many hydrocarbon-powered power plants operate at higher than stoichiometric air to fuel mass ratios for improved fuel economy. However, such lean-burning engines and other power sources produce hot exhaust gases with relatively high contents of oxygen and nitrogen oxides (NO x ). For diesel engines, the temperature of exhaust gases from warm-up engines is typically in the range of 200-400 ° C., in volume percent, about 17% oxygen, 3% carbon dioxide, 0.1% carbon monoxide, 180 ppm hydrocarbons, 235 ppm NO x and the usual composition of the remaining nitrogen and water.
대표적으로 NO 및 NO2를 포함하는 이러한 NOx 가스들은, 상기 뜨거운 배기가스 스트림내 높은 산소 함량때문에, 질소로 환원되기 어렵다. 그러므로, 이러한 가스 혼합물에서 NOx를 환원시키는 개선된 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.These NO x gases, typically including NO and NO 2 , are difficult to reduce to nitrogen because of the high oxygen content in the hot exhaust stream. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method of reducing NO x in such gas mixtures.
본 발명은 분리된 업스트림으로 첨가되는 오존 및 에탄올을 가지고 어떠한 비금속-교환된 제올라이트 Y 촉매를 이용하여, 배기가스 스트림내 NOx를 환원시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 대량의 산소를 함유하는 뜨거운 가스 스트림내 NOx를 환원시키는데 유용하다. 본 발명은 디젤엔진과 같이, 린-번(lean-burn) 파워 플랜트 및 엔진으로부터 배출되는 배기가스 스트림을 처리하는데 유용하다. 이는 디젤엔진에 이것을 적용함에 의하여 예시될 것이다.The present invention provides a method for reducing NO x in an exhaust stream using any nonmetal-exchanged zeolite Y catalyst with ozone and ethanol added upstream. The present invention is also useful for reducing NO x in hot gas streams containing large amounts of oxygen. The present invention is useful for treating exhaust streams from lean-burn power plants and engines, such as diesel engines. This will be illustrated by applying this to a diesel engine.
본 발명에서, 상기 NOx 함유 배기가스는 궁극적으로 업스트림 베드가 나트륨 Y 제올라이트 또는 바륨 Y 제올라이트이며, 다운스트림 베드가 구리 Y 제올라이트인 듀얼 베드 촉매(dual bed catalyst)를 통하여 또는 거쳐서 통과된다. 이러한 비금속-교환된 제올라이트 촉매는 때때로 본 명세서에서 NaY, BaY 또는 CuY로 각각 언급될 것이다. 상기 듀얼 베드 촉매의 효과는, 첫째로 NO를 NO2로 변환하기 위하여 공기로부터 오존이 방출된 플라즈마 배기가스에 업스트림을 추가함에 의하여, 그리고 둘째로 NO2를 N2로 환원시키는데 도움을 주기 위하여 상기 배기가스에 에탄올을 분리하여 첨가함에 의하여 증진된다. 약간의 에탄올이 아세트알데히드로 산화되는 동안, 상기 오존이 NO를 NO2로 변환하기 위하여, 플라즈마 리액터(plasma reactor)는 보다 낮은 촉매온도에서 이용된다. 상기 플라즈마 리액터의 파워 밀도 요구는 상기 듀얼 베드 촉매 리액터의 온도(또는 상기 리액터 입구에서 밀접하게 관련된 배기가스의 온도)의 함수이다. 상기 배기가스의 NO2 함량의 감소를 위하여, 상기 에탄올은 상기 듀얼 베드 촉매의 입구(inlet)에서, 또는 상기 리액터내부에서의 온도에 기초한 충분한 양으로 첨가된다. 이후 상기 배기가스는 상기 듀얼 베드 촉매를 통하여 통과하기 때문에, 약간의 에탄올은 아세트알데히드로 산화되며, 상기 에탄올 및 아세트알데히드는 NO2의 N2로의 환원에 참여한다. 상기 에탄올 및 아세트알데히드는 촉매 활동도(activity)의 과도한 저하없이, 상기 촉매 표면상에서 NO2를 환원하는데 효과적임을 알 수 있었다.In the present invention, the NO x containing exhaust is ultimately passed through or via a dual bed catalyst wherein the upstream bed is sodium Y zeolite or barium Y zeolite and the downstream bed is copper Y zeolite. Such nonmetal-exchanged zeolite catalysts will sometimes be referred to herein as NaY, BaY or CuY, respectively. The effect of the dual bed catalyst is firstly by adding upstream to the plasma exhaust gas from which ozone is released from air to convert NO into NO 2 , and secondly to help reduce NO 2 to N 2 . Promoted by separating and adding ethanol to the exhaust gas. While some ethanol is oxidized to acetaldehyde, a plasma reactor is used at lower catalyst temperatures in order for the ozone to convert NO to NO 2 . The power density requirement of the plasma reactor is a function of the temperature of the dual bed catalytic reactor (or the temperature of the exhaust gas closely related at the reactor inlet). In order to reduce the NO 2 content of the exhaust gas, the ethanol is added in a sufficient amount based on the temperature at the inlet of the dual bed catalyst or inside the reactor. Since the exhaust gas then passes through the dual bed catalyst, some ethanol is oxidized to acetaldehyde, and the ethanol and acetaldehyde participate in the reduction of NO 2 to N 2 . The ethanol and acetaldehyde were found to be effective in reducing NO 2 on the catalyst surface without excessively lowering catalyst activity.
오존은 공기가 높은 효율의 비-열적 플라즈마 발생기를 통과함에 의하여 적당하게 방출된다. 바람직한 실시예에서, 상기 플라즈마 발생기는 리액터 공간을 정의하는 유전체 실린더형 벽을 갖는 튜브이다. 직선형 고전압 전극은 이러한 리액터 공간내 상기 튜브의 축을 따라 배치된다. 전기적으로 전도성을 갖는 와이어로 이루어진 외부 접지전극이 상기 실린더형 유전체 벽 주위를 나선형으로 감는다. 상기 중앙전극에 높은 주파수의 AC 전압을 적용하면 상기 리액터를 통하여 통과되는 공기내에 플라즈마를 형성한다. 상기 나선형 접지전극과 직선형 축전극의 조합은 능동 및 수동 전기장이 서로 뒤엉킨 나선형 영역을 형성한다. 중요하게, 오존과 가능한 다른 화학적으로 활성화된 산소이온 또는 라디칼, 그리고 다른 종(species)은 상기 플라즈마 리액터를 통하여 흐르는 공기 스트림내에 형성된다. 상술한 것처럼, 상기 플라즈마 리액터의 산출물은 상기 배기가스 스트림으로 도입되며, 상기 오존은 NO를 NO2로 산화시킨다. 상기 NO2 다운스트림은 상기 듀얼 베드 비금속-교환된 제올라이트 촉매상에서 에탄올 및 아세트알데히드와 반응함에 의하여 N2로 환원된다.Ozone is properly released by passing air through a highly efficient non-thermal plasma generator. In a preferred embodiment, the plasma generator is a tube having a dielectric cylindrical wall that defines a reactor space. A straight high voltage electrode is disposed along the axis of the tube in this reactor space. An external ground electrode made of electrically conductive wire spirally wraps around the cylindrical dielectric wall. When a high frequency AC voltage is applied to the center electrode, plasma is formed in the air passing through the reactor. The combination of the spiral ground electrode and the linear axial electrode forms a spiral region in which the active and passive electric fields are entangled with each other. Importantly, ozone and possibly other chemically activated oxygen ions or radicals and other species are formed in the air stream flowing through the plasma reactor. As mentioned above, the output of the plasma reactor is introduced into the exhaust stream and the ozone oxidizes NO to NO 2 . The NO 2 downstream is reduced to N 2 by reacting with ethanol and acetaldehyde on the dual bed nonmetal-exchanged zeolite catalyst.
상기 듀얼 환원 촉매 베드로 도입되는 배기가스의 온도(또는 상기 베드 그 자체의 온도)가 모니터되며, 상기 배기가스의 NOx 함량이 측정되거나 평가된다. 아래의 명세서에서 보다 상세히 설명되는 것처럼, 플라즈마 파워 밀도 및 EtOH/NOx 몰비는 둘다 이러한 환원 촉매온도에 기초하여 세팅되고, 및/또는 조절된다. 일반적으로, 상기 플라즈마 파워 요구는 환원 촉매 온도가 증가함에 따라 감소하며, 반면에 상기 에탄올 요구는 촉매 온도가 증가함에 따라 증가한다. 안정된 상태의 조건에서 작동하는 고정된 파워 플랜트에서, 상기 촉매 리액터는 긴 기간동안 안정된 온도에서 작동할 수 있으며, 상기 NOx 레벨은 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 이러한 경우, 한번 세팅된 플라즈마 파워 밀도 및 EtOH/NOx는 잦은 모니터링을 요구하지 않을 수 있다. 그러나, 차량의 디젤 또는 린번 가솔린 엔진에서, 워밍업동안의 조건 및 다양한 드라이빙 조건들은 배기가스의 NOx 함량 및 촉매 온도에 대한 보다 잦은 모니터링 또는 측정을 요구할 것이다.The temperature of the exhaust gas (or the temperature of the bed itself) introduced into the dual reduction catalyst bed is monitored and the NO x content of the exhaust gas is measured or evaluated. As described in more detail below, the plasma power density and the EtOH / NO x molar ratio are both set and / or adjusted based on this reduction catalyst temperature. In general, the plasma power demand decreases as the reduction catalyst temperature increases, while the ethanol demand increases as the catalyst temperature increases. In a stationary power plant operating at steady state conditions, the catalytic reactor can operate at a stable temperature for a long period of time and the NO x level can remain substantially the same. In this case, the plasma power density and EtOH / NO x once set may not require frequent monitoring. However, in a vehicle diesel or lean burn gasoline engine, conditions during warming up and various driving conditions will require more frequent monitoring or measurement of the NO x content of the exhaust gas and the catalyst temperature.
200~400℃의 환원 촉매 온도범위에서, 본 발명의 방법은 상기 듀얼 베드 비금속 교환된 제올라이트 촉매의 연장된 작동을 넘어 평균 90%의 NOx에서 N2로의 변환을 달성할 수 있다.At a reduction catalyst temperature range of 200-400 ° C., the process of the present invention can achieve an average of 90% NO x to N 2 conversion over the extended operation of the dual bed nonmetal exchanged zeolite catalyst.
디젤엔진으로부터 나오는 배기가스는 촉매 산화 및 배기가스에 오존이 첨가되기 전의 배기가스의 필터링에 의하여 바람직하게 제거되는 불완전연소된 탄화수소, 특히 디젤 미립자 및 일산화탄소를 함유한다.Exhaust gases from diesel engines contain incompletely burned hydrocarbons, in particular diesel particulates and carbon monoxide, which are preferably removed by catalytic oxidation and filtering of the exhaust gas before ozone is added to the exhaust gas.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 바람직한 실시예의 설명으로부터 분명해질 것이다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments.
도 1은 본 발명에 따른 NOx 환원의 바람직한 방법을 예시하는 디젤엔진으로부터의 배기가스에 대한 개략적인 흐름도이다.1 is a schematic flowchart of exhaust gas from a diesel engine illustrating a preferred method of NO x reduction according to the present invention.
도 2는 본 발명의 실시에서 오존 방출을 위하여 공기를 처리하는데 이용되는 비-열적 플라즈마 리액터의 부분적인 측단면도이다.2 is a partial side cross-sectional view of a non-thermal plasma reactor used to treat air for ozone emission in the practice of the present invention.
도 3은 환원제로 프로필렌(일점쇄선(dash-dotted line)), 가솔린(실선(solid line)) 또는 에탄올(점선(dotted line))을 이용할 때, 배기가스 스트림에 촉매를 노출하는 시간의 함수로써, 듀얼-베드 비금속-교환된 Y 제올라이트 촉매 환원 리액터상에서의 NOx 변환 효율 그래프이다.3 is a function of the time of exposing the catalyst to the exhaust stream when using propylene (dash-dotted line), gasoline (solid line) or ethanol (dotted line) as reducing agent. , NO x conversion efficiency graph on dual-bed nonmetal-exchanged Y zeolite catalytic reduction reactor.
도 4는 환원 촉매 온도의 함수로써 상기 에탄올-대-NOx 공급비의 그래프 뿐만 아니라, 플라즈마 에너지 밀도(J/ℓ) 대 환원 촉매 온도의 그래프를 나타낸다.4 shows a graph of the ethanol-to-NO x feed ratio as a function of the reduction catalyst temperature as well as a graph of plasma energy density (J / L) versus reduction catalyst temperature.
도 5는 듀얼 베드 실험 리액터에서 150~400℃의 범위에 걸친 NOx 변환(%) 대 환원 촉매 온도의 그래프이다.5 is a graph of% NO x conversion (%) versus reduction catalyst temperature over a range of 150-400 ° C. in a dual bed experimental reactor.
도 6은 엔진 동력계 테스트에서 실험적인 사이드스트림 플라즈마-촉매 시스템의 개략적인 흐름도이다.6 is a schematic flowchart of an experimental sidestream plasma-catalyst system in an engine dynamometer test.
도 7은 플라즈마 처리된 공기를 사이드 스트림에 추가할 때의 장점을 보여주는 그래프이다. 실선은 플라즈마가 추가될때의 NOx 변환을 나타내며, 점선은 플라즈마가 추가되지 않을 때의 NOx 변환을 나타낸다.7 is a graph showing the advantages of adding plasma treated air to the side stream. The solid line shows the NO x conversion when the plasma is added, and the dotted line shows the NO x conversion when the plasma is not added.
도 8은 200~300℃의 환원 촉매 입구 온도에서 NOx 변환의 바(bar) 그래프이다. 상기 바 데이타는 (a) 에탄올이 플라즈마 첨가된 배기가스 스트림의 업스트림으로 직접 주입되는 경우와, 그리고 (b) 에탄올이 플라즈마 첨가된 배기가스의 다운스트림으로 주입되는 경우의 2가지 경우에서의 NOx 변환을 비교한다.8 is a bar graph of NO x conversion at a reduction catalyst inlet temperature of 200-300 ° C. The bar data shows NO x in two cases: (a) ethanol is injected directly upstream of the plasma-added exhaust stream, and (b) ethanol is injected downstream of the plasma-added exhaust gas. Compare the transformations.
본 발명의 실시는 도 1에서 개략적으로 예시된다. 블록(10)은 디젤엔진을 나타내며, 선(12)은 상기 디젤엔진(10)으로부터 배기가스의 흐름을 나타낸다. 디젤엔진은 화학양론적인 공기 대 연료비보다 더 높은 공기 대 연료 질량비에서 통상적으로 작동되며, 상기 배기가스는 반응되지 않은 N2(공기로부터 나온) 뿐만 아니라 O2를 상당량 함유한다. 워밍업된 엔진으로부터 나온 상기 배기가스의 온도는 통상적으로 약 200~400℃의 범위이다. 본 발명의 실시는 디젤엔진의 경우로 예시되지만, 본 방법이 연료를 태우기 위하여 과도한 공기를 이용하는 린번 가솔린 엔진의 배기가스 또는 어떠한 탄화수소가 보급되는 파워 플랜트의 배기가스를 처리하는데 이용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 디젤엔진 배기가스에서, 뜨거운 가스는 또한 O2 및 N2 이외에 CO, CO2, H2O 및 불완전하게 연소된 탄화수소(약간은 미립자 형태인)를 함유한다. 그러나, 본 발명(subject invention)에 적용할 수 있는 배기가스의 구성요소는 상기 엔진(또는 파워 플랜트)의 연소 실린더내 O2와 N2의 반응에 의하여 형성된 질소산화물(미량의 N2O를 갖는 주로 NO 및 NO2는 합쳐서 NOx로 불린다)의 혼합물이다. 디젤 배기가스내 NOx의 함량은 통상적으로 약 200~300ppm(parts per million)이다. 그래서 본 발명의 목적은 상기 배기가스 스트림 부피의 약 2~3/10,000ths를 구성하는 질소산화물을 처리하는 것이다.The practice of the invention is schematically illustrated in FIG. 1.
도 1을 다시 살펴보면, 디젤엔진(10)은 배기가스 스트림을 배출하며, 이는 듀얼 베드 촉매 산화 리액터(14)를 우선 통과하며, 궁극적으로 촉매 환원 리액터(24)를 통과한다. 상기 배기가스 스트림은 그것의 흐름 경로(flow path)를 따라 처리되며, 그것의 조성은 변경된다. 도 1에서 12로 나타내어진, 상기 엔진에서 배출된 배기가스 스트림은 Pd가 적합한 촉매인 촉매 산화 리액터(14)를 통과한다. 산화 촉매 리액터(14)의 작용은 CO의 CO2로의 산화, 그리고 미립자를 포함하는 탄화수소의 CO2 및 H2O로의 산화를 실질적으로 완료하는 것이다. 약간의 탄화수소는 부분적인 산화공정을 통하여 알데히드로 변환될 수 있다. 아세트알데히드(AA)는 대표적 인 알데히드 결과물(product)이다. 상기 산화 리액터(14)는 상기 배기가스내 NOx 양을 감소시키지 않는다. 16으로 나타낸 상기 산화된 배기가스 스트림은 곧바로 촉매 환원 리액터(24)로 향한다. 아래에서 설명되는 것처럼, 리액터(24)에 적용된 환원 촉매는 과량의 산소를 함유하는 매우 린(lean) 조건하에서 NOx의 환원을 위하여 특별히 개발되었으며, 상기 반응은 린(lean) NOx의 선택적인 촉매 환원(SCR; selective catalyst reduction)으로 종종 언급된다. 본 발명에 따라, 상기 디젤엔진 배기가스는 상기 환원 촉매 리액터(24)로 도입되기 전에 2개의 분리된 사이드 스트림을 가지고 처리된다.Referring again to FIG. 1,
엔진 구획(engine compartment)으로부터 적합하게 꺼내어진 압축된 공기 스트림은 공기내 약간의 산소를 오존 및 가능한 다른 활성화된 산소 종(species)으로 변환하기 위하여, 효과적인 관형상의(tubular) 비-열적 플라즈마 리액터(20)를 통하여 불어진다. 상기 오존함유 플라즈마는 NO를 NO2로 산화시키기 위하여, 상기 배기가스에 첨가된다. 상기 플라즈마 첨가에 이어, 저장소(reservoir, 26)로부터의 에탄올이 본 명세서의 아래에서 설명되는 방법으로 상기 디젤 배기가스로 분리되어 첨가되며, 여기에서 상기 에탄올은 NO2를 위한 환원제로 작용한다. 잔여 오존은 약간의 에탄올을 아세트알데히드로 산화시킬 수 있으며, 또한 NO 및 NO2의 환원제로 작용한다. 도 1에서, 상기 오존함유 플라즈마를 첨가한 다음 상기 배기가스 스트림은 18로 나타나며, 에탄올함유 첨가물이 첨가된 후의 배기가스 스트림은 28로 나타 낸다. 상기 오존과 에탄올의 2가지로 처리된 배기가스 스트림은 상기 환원 리액터(24)로 도입된다.A compressed air stream suitably drawn out of the engine compartment is an effective tubular non-thermal plasma reactor to convert some oxygen in the air into ozone and possibly other activated oxygen species. Blown through 20. The ozone containing plasma is added to the exhaust gas to oxidize NO to NO 2 . Following the plasma addition, ethanol from the
상기 촉매 환원 리액터(24)는 듀얼 베드 환원 촉매를 수용한다. 상기 업스트림 촉매 베드는 소정 부피의 바륨 또는 나트륨 Y 제올라이트(BaY와 같이 표시됨)를 포함하며, 상기 다운스트림 베드는, 통상적으로 보다 적은 부피로 구리 Y 제올라이트(CuY와 같이 표시됨)를 포함한다. 상기 리액터 입구 또는 리액터 내부의 온도는 상기 촉매 환원 리액터(24)의 효율적인 작동을 위하여, 플라즈마 파워 밀도 및 에탄올-대-NOx의 공급 몰비를 조절시 이용된다. 예를 들면, 상기 환원 촉매의 입구 및 출구에서의 온도는 열전대(T1 및 T2로 나타냄) 또는 다른 적합한 온도 센서(들)에 의하여 효율적인 배기가스 처리를 위하여 모니터될 수 있다. 온도 데이타는 플라즈마 파워 밀도 및 첨가되는 에탄올의 양을 조절하기 위하여, 디지털 컨트롤러(도시되지 않음)로 보내진다. 리액터(24)내 평균온도는 상기 리액터로 도입되는 배기가스의 온도 및 이후 상기 각각의 베드내 발생하는 반응열의 함수이다. 상기 업스트림 베드는 약 300℃까지의 촉매 온도에서 주로 효율적이며, 상기 다운스트림 베드는 보다 높은 촉매 온도에서 보다 효율적이다. 스트림(30)은 상기 배기 시스템으로부터 배출되는 처리된 배기가스를 나타낸다.The
도 2에서 보여지는 것처럼, 적합한 비-열적 플라즈마 리액터(20)는 실린더형태의 관형 유전체 바디(40)를 포함한다. 상기 리액터(20)는 관형 유전체 바디(40) 및 에어갭(46)에 의하여 분리되는, 고전압 전극(42) 및 접지전극(44)의 2개의 전극 을 갖는다. 상기 고전압 전극(42)은 상기 튜브(40)의 길이방향 축을 따라 위치된 일직선의 봉(rod)이다. 상기 접지전극(44)은 나선형 패턴으로 상기 관형 유전체 바디(40) 주위를 감고 있는 와이어이다. 상기 축 고전압 전극(42)과 결합된 상기 나선형의 접지전극(44)은 상기 리액터(20)의 길이방향을 따라 서로 뒤엉켜있는 나선형 영역의 능동(54) 및 수동(52) 전기장을 제공한다. 상기 접지전극(44) 주위의 나선형 능동 전기장(54)은 효율적인 플라즈마 방출 및 오존 방출을 위하여 고도로(highly) 포커싱된다.As shown in FIG. 2, a suitable
고전압, 고주파수의 전위(electrical potential)가 상기 중앙 전극의 말단 리드(leads, 48 및 50)에 적용된다. 상기 나선형의 외부 접지전극(44)은 56으로 나타낸 것처럼 접지된다. 상기 플라즈마 리액터(20)의 작동시, 공기는 도 2에 나타낸 화살표의 방향으로, 중앙 전극(42)주위 리액터의 하나의 말단, 그리고 유전체 튜브(40)내부, 그리고 다른 말단으로 흐르게 된다. 중앙 전극(42)에 적용된 상기 전위는 상기 리액터(20) 내부에 상술한 능동(54) 및 수동(52) 전기장을 발생시킨다. 이러한 고전압, 고주파수의 전기장(52, 54)은 상기 에어갭(46)내 흐르는 공기 스트림내부에 반응성 산소 종을 발생시키며, 이는 오존의 생성을 초래한다. 이러한 오존함유 공기 스트림은 상기 리액터(20)를 나오며, 도 1에 나타낸 것처럼 즉시 상기 배기가스 스트림으로 도입된다. 아래에서 상세하게 설명하는 것처럼, 전기적 파워가 상기 배기가스 스트림 온도의 역함수인 레벨로 상기 플라즈마 리액터(20)에 적용된다. 상기 사이드-스트림 플라즈마 리액터(20)는 상기 뜨거운 배기가스 파이프에 근접하나, 떨어져 위치된다.A high voltage, high frequency electrical potential is applied to the terminal leads 48 and 50 of the center electrode. The spiral outer ground electrode 44 is grounded as indicated by 56. During operation of the
도 1에 나타낸 것처럼, 에탄올은 저장소(26)로부터 상기 배기가스 스트림으로 직접 주입될 수 있으며, 그것의 환원 작용에 도움을 주기 위하여 빠르게 증발될 것이다. 또한, 공기는 에탄올 증기를 비말(entrain)시키기 위하여 에탄올 또는 디젤 연료와 같이 낮은 증기압의 용매에 용해된 에탄올의 저장소(26)를 통하여 버블될 수 있으며, 상기 배기가스 스트림으로 이동될 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 것처럼, 상기 배기가스 스트림으로 도입되는 에탄올의 양은 상기 배기가스의 NOx 함량 및 상기 환원 촉매의 온도에 의존한다.As shown in FIG. 1, ethanol can be injected directly from the
본 발명의 실시에는 4가지 중요한 인자가 있다: 공기로부터 오존을 발생하기 위한 사이드스트림 비-열적 플라즈마 리액터; 상기 환원 촉매의 조성; 상기 에탄올 환원 첨가제; 및 작동 파라미터의 관리, 특히 플라즈마 에너지 및 상기 에탄올/NOx의 공급비가 그것이다. 상기 플라즈마 에너지 밀도 및 상기 에탄올/NOx 공급비는 환원 촉매 온도에 따라 변한다. 이러한 4가지 요소와 결합된 본 발명의 배기가스 처리방법은 실험 셋업(laboratory setup) 및 엔진 동력계 셋업(engine dynamometer setup)을 이용하여 예시될 것이다.There are four important factors in the practice of the present invention: sidestream non-thermal plasma reactors for generating ozone from air; Composition of the reduction catalyst; The ethanol reducing additive; And management of operating parameters, in particular plasma energy and the feed ratio of said ethanol / NO x . The plasma energy density and the ethanol / NO x feed ratio vary with the reduction catalyst temperature. The exhaust gas treatment method of the present invention in combination with these four elements will be illustrated using an experimental setup and an engine dynamometer setup.
실험-실험 셋업(Experimental-Laboratory Setup)Experimental-Laboratory Setup
실험 리액터 시스템이 도 1에 의하여 예시된 공정에 의한 합성 배기가스 스트림내 NOx의 N2로의 환원을 평가하기 위하여 마련되었다. 상기 실험 촉매 환원 리액터(24)는 작은 업스트림-다운스트림, 듀얼-베드 NaY 제올라이트/CuY 제올라이트 촉매 환원 리액터를 가진다. 플라즈마 처리된 오존으로, 그리고 에탄올로 처리하기 위한 합성 NO 및 산소함유 배기가스 및 상기 촉매 환원 리액터를 통과하는 통로를 마련하기 위하여 설비가 마련되었다. 이러한 실험 배열은 상기 플라즈마 리액터를 통과하는 가스 스트림의 다양한 흐름 배열을 위한, 그리고 도입되는 에탄올의 위치를 위한 탄력성을 제공한다. 상기 실험 리액터 시스템을 위한 실험 조건은 다음의 표 1에 요약된다.An experimental reactor system was prepared to evaluate the reduction of NO x to N 2 in the synthesis exhaust gas stream by the process illustrated by FIG. 1. The experimental
표 1: 실험 리액터 시스템을 위한 실험조건Table 1: Experimental conditions for experimental reactor system
촉매: NaY(9.9wt% Na),Catalyst: NaY (9.9 wt% Na),
BaY(14.7wt% Ba)BaY (14.7 wt% Ba)
CuY(7.3wt% Cu)CuY (7.3 wt% Cu)
공급농도(Feed Conc.): NO = 225ppmFeed Conc .: NO = 225 ppm
HC = 1200~4800ppm C1 HC = 1200-4800 ppm C 1
O2 = 16.8%O 2 = 16.8%
H2O = 1.6%H 2 O = 1.6%
N2 = 나머지N 2 = remainder
온도: 플라즈마 = 150℃Temperature: Plasma = 150 ° C
촉매 = 150~400℃Catalyst = 150 ~ 400 ℃
플라즈마: 파워밀도 = 6~20J/LPlasma: Power Density = 6 ~ 20J / L
AC 전압 = +/-7kVAC voltage = +/- 7kV
압력: 101.3kPaPressure: 101.3kPa
공간 속도(Space Velocity): 플라즈마 = 25K/h,Space Velocity: Plasma = 25 K / h,
촉매 = 11K~44K/h(NaY, BaY)Catalyst = 11K ~ 44K / h (NaY, BaY)
22K~44K/h(CuY)22K ~ 44K / h (CuY)
대부분의 테스트의 경우, 225ppm의 NO를 함유하는 합성 배기가스의 흐름속도(flow rate)는 143㎤/분이었다. (STP) 및 에탄올 첨가 속도는 동일하게 0.00051㎤/분이었다. 상기 시뮬레이트된 배기가스는 상기 바람직한 배기가스 조성을 얻기 위하여, 그 유동속도가 질량 흐름 컨트롤러(mass flow controllers)에 의하여 조절된 각각의 가스들을 혼합함에 의하여 얻어졌다. 상온에서 이온이 제거된 물을 함유하는 버블러(bubbler)를 통하여 상기 가스 스트림을 통과시켜 상기 가스 혼합물에 수증기가 첨가되었다. 상기 촉매 환원 리액터(24)(도 1 시스템에서 처럼)로부터 산출된 가스 혼합물은 상기 리액터와 분석기(analyzers)사이의 가스 흐름 라인에서 어떠한 액화(condensation)를 억제하기 위하여, 동일한 부피의 N2에 의하여 희석되었다. 상기 리액터로의 그리고 리액터로부터의 상기 공급 및 산출 스트림의 화학 조성은 FTIR 가스 분석기(Nicolet Nexus 670)에 의하여 모니터되었다. 상기 FTIR 가스 셀의 온도는 165℃로 유지되었다. 상기 FTIR에 의하여 측정된 NOx 변환은 화학발광(chemiluminescent) NO/NOx 분석기에 의하여 체크되었다. 2개의 결과가 5% 이내로 잘 일치하였다.For most of the tests, the flow rate of the synthetic exhaust gas containing 225 ppm of NO was 143 cm 3 / min. (STP) and ethanol addition rate were similarly 0.00051 cm 3 / min. The simulated exhaust gas was obtained by mixing the respective gases whose flow rate was controlled by mass flow controllers to obtain the desired exhaust gas composition. Water vapor was added to the gas mixture by passing the gas stream through a bubbler containing deionized water at room temperature. The gas mixture produced from the catalytic reduction reactor 24 (as in the FIG. 1 system) is reduced by an equal volume of N 2 to suppress any condensation in the gas flow line between the reactor and the analyzers. Diluted. The chemical composition of the feed and output streams to and from the reactor was monitored by a FTIR gas analyzer (Nicolet Nexus 670). The temperature of the FTIR gas cell was maintained at 165 ° C. The NO x conversion measured by the FTIR was checked by a chemiluminescent NO / NO x analyzer. The two results agreed well within 5%.
상기 실험 테스트에 이용된 플라즈마 리액터(20)는 중앙에 고전압 전극(42)을 갖는 3/8인치 외부 직경(o.d.)의 석영튜브로 제조되었다. 접지전극(44)은 0.2cm의 간격(pitch)을 가지고 상기 석영튜브의 외부표면 주위를 2번의 완전한 회전으로 감긴 Ni-코팅된 구리 와이어였다. 상기 플라즈마 영역의 전체 길이는 0.4cm였다. 상기 고전압 전극(42)은 1/8인치 o.d.의 알루미나 튜브로 삽입된 1/16인치 o.d.의 스테인레스 봉으로 제조되었으며, 여기에서 공기는 환상의(annular) 에어갭(46)을 통하여 통과되어 플라즈마를 형성하였다. 비교의 목적으로, 때때로 시뮬레이트된 배기가스가 공기를 대신하여 상기 플라즈마 리액터(20)를 통하여 통과되었다. 200Hz의 주파수에서 사인곡선형태인 +/-7kV의 고전압이 기능 발생기(function generator)(Tektronix Model AFG 310) 및 고-전압 증폭기(Trek Model 20/20B)에 의하여 발생되었으며, 고-전압 프루브(probe)(Tektronix Model P6015A)에 의하여 모니터되었다. 상기 플라즈마 리액터(20)의 전기적 응답은 디지털 오실로스코프(Tektronix Model TDS 430A)와 컴퓨터에 의하여 모니터되었으며, 상기 디지털 오실로스코프는 시간에 따라 변하는 적용된 전압, 가스 방출 흐름(current) 및 플라즈마에 의한 파워 흡수를 포함하는 상기 플라즈마 리액터(20)의 순간적인 응답을 추적하였고, 동시에 상기 컴퓨터는 상기 플라즈마에 의한 시간-평균 파워 소비를 보여주었다. 보고된 모든 실험 결과의 경우, 상기 플라즈마 리액터(20)의 입구 온도가 150℃로 유지되었다. 그러나, 실시시 상기 플라즈마 리액터(20)는 상온에서 작동될 수 있다.The
상기 촉매 리액터(24)는 2개의 분리된 촉매 반응 영역(reaction zones)을 갖 는 환원 촉매를 수용하였다. 이러한 실험 테스트에서, 상기 합성 배기가스는 상온이었으며, 상기 촉매는 150~400℃ 범위에 걸친 테스트 온도로 가열되었다. 제 1 촉매 영역은 바륨(또는 나트륨) Y 제올라이트를 포함하며, 구리 Y 제올라이트를 포함하는 제 2 촉매 영역 크기의 약 4배의 공간을 차지하였다. 다음의 유사한(parallel) 화학반응이 300℃ 이하의 온도에서 시작하여 상기 BaY(또는 NaY) 제올라이트 촉매상의 상기 에탄올 환원제 및 상기 NO2사이에서 관찰되었다:The
EtOH + NO2 → AA + NO → N2 EtOH + NO 2 → AA + NO → N 2
EtOH + NO2 → N2 EtOH + NO 2 → N 2
이후, 300℃ 이상의 온도에서 상기 CuY 제올라이트 촉매상에 상기 배기가스가 통과함에 따라, 다음의 반응이 발생한다:Thereafter, as the exhaust gas passes over the CuY zeolite catalyst at a temperature above 300 ° C., the following reactions occur:
EtOH + NO + NO2 + O2 → N2 EtOH + NO + NO 2 + O 2 → N 2
BaY 및 CuY의 2가지 촉매가 각각 Ba(NO3)2 및 Cu(NO3)2와 NaY의 수용성 이온-교환에 의하여 마련되었다. 분말 형태의 모든 샘플이 30~40메쉬(mesh)의 입자크기로 펠레타이즈(pelletized)되고 크러쉬(crushed)되었다. 입자화된(granulated) 촉매가 상기 플라즈마 리액터(20)의 다운스트림에 위치되며, 1/4인치 o.d.의 석영튜브로 제조된 관형상의 리액터로 채워졌다. 이후, 상기 BaY(또는 NaY) 촉매는 상기 CuY 촉매에 의하여 뒤를 이었다. 상기 촉매들은 2.5%의 수증기를 함유하는 공기의 흐름내 400℃에서 3시간동안 사전처리되었다. 상기 리액터 온도는 상기 리액터 출 구(24)에서 모니터되었으며, 약 +/-1℃의 정확도를 가지고 전자 온도 조절기(electronic temperature controller)에 의하여 조절되었다.Two catalysts, BaY and CuY, were prepared by water-soluble ion-exchange of Ba (NO 3 ) 2 and Cu (NO 3 ) 2 and NaY, respectively. All samples in powder form were pelletized and crushed to a particle size of 30-40 mesh. Granulated catalyst was placed downstream of the
상기 배기가스의 화학 조성은 3개의 다른 위치에서 모니터되었다: 상기 플라즈마 리액터 이전, 상기 플라즈라 리액터와 상기 촉매 리액터 사이, 그리고 상기 촉매 리액터 이후가 그것이다. Horiba에 의하여 제조된 자동차 배기가스 분석기(Motor Exhaust Gas Analyzer)(Mexa-7500 DEGR)이 화학 분석을 위하여 이용되었으며, 이는 화학발광(chemiluminescent) NO/NOx 분석기, HFID HC 분석기, O2 분석기, 그리고 CO, CO2 및 N2O를 위한 IR 분석기를 포함하였다. 상기 HFID HC 분석기는 HC와 유기 POHC(partially oxidized hydrocarbons)의 두가지로부터의 전체 탄소를 위하여 이용되었다. 대략 90%의 NOx에서 N2로의 변환이 약 300℃의 리액터 출구 온도에서 본 발명의 배기가스 처리방법을 이용하여 달성되었다.The chemical composition of the exhaust gas was monitored at three different locations: before the plasma reactor, between the plasma reactor and the catalytic reactor, and after the catalyst reactor. A Motor Exhaust Gas Analyzer (Mexa-7500 DEGR) manufactured by Horiba was used for chemical analysis, including chemiluminescent NO / NO x analyzers, HFID HC analyzers, O 2 analyzers, and IR analyzers for CO, CO 2 and N 2 O were included. The HFID HC analyzer was used for total carbon from both HC and organic POHCs (partially oxidized hydrocarbons). Approximately 90% NO x to N 2 conversion was achieved using the exhaust gas treatment method of the present invention at a reactor outlet temperature of about 300 ° C.
통상적인 탄화수소 환원제와 비교하여, 상기 환원 촉매 조합과 함께 에탄올-함유 환원제를 이용하는 유리한 효과가 도 3에서 보여진다. 상기 BaY 제올라이트/CuY 제올라이트 환원 촉매 조합을 이용하여 NO2를 N2로 환원시키기 위하여, 상기 배기가스 스트림으로부터 데이타가 얻어졌다. 테스트는 3가지 다른 환원제를 이용하여 수행되었다: 프로필렌, 가솔린 및 에탄올이 그것이다. 상기 배기가스 스트림은 상기 BaY 제올라이트 촉매 및 상기 CuY 제올라이트 촉매의 양방에서 55000/hr.의 공간 속도로 상기 환원 촉매를 통하여 통과되었다. 에탄올 대 NOx의 몰 공급 비(EtOH/NOx)는 18이었고, 플라즈마는 공기 흐름중 20J/L의 플라즈마 에너지 밀도를 가지고 발생되었다. 각각의 환원제는 상기 플라즈마 리액터 이전의(플라즈마 주입전(pre-plasma injection)) 주 스트림 라인(main stream line)으로 주입되었다. 변성된 에탄올 및 E-85(85% 에탄올 및 15% 가솔린)가 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 도입되었고, 동시에 가솔린 증기가 석영 튜브내 함유된 액체 가솔린의 표면상에 공기를 유동시킴에 의하여 도입되었다.Compared with conventional hydrocarbon reducing agents, the advantageous effect of using ethanol-containing reducing agents in combination with the reduction catalyst combination is shown in FIG. 3. Data was obtained from the exhaust stream to reduce NO 2 to N 2 using the BaY zeolite / CuY zeolite reduction catalyst combination. The test was carried out using three different reducing agents: propylene, gasoline and ethanol. The exhaust stream was passed through the reduction catalyst at a space velocity of 55000 / hr. On both the BaY zeolite catalyst and the CuY zeolite catalyst. The molar feed ratio (EtOH / NO x ) of ethanol to NO x was 18 and the plasma was generated with a plasma energy density of 20 J / L in the air stream. Each reducing agent was injected into the main stream line prior to the plasma reactor (pre-plasma injection). Denatured ethanol and E-85 (85% ethanol and 15% gasoline) were introduced using a syringe pump, while at the same time gasoline vapors were flowed by flowing air over the surface of the liquid gasoline contained in the quartz tube. Was introduced.
각각의 환원제가 테스트될 때 NOx의 변환율(percent conversion)이 분단위로(in minutes) 상기 환원 촉매 작동 시간("스트림 시간(time-on-stream)")에 대하여 플로트되었다. 도 3에 보여진 바와 같이, NOx의 보다 높은 변환이 환원제로 에탄올을 이용할 때 상기 환원 촉매의 작동 시간에 걸쳐 달성되었고, 반면에 테스트된 다른 환원제들(프로필렌 및 가솔린)은 초기에는 보다 높은 NOx 변환이 달성되었으나, 그들은 코킹(coking)에 의하여 상기 촉매를 빠르게 퇴화시켰다. 프로필렌의 경우, 상기 촉매 베드의 전면에서 원래의 흰색으로부터 옅은 갈색으로 촉매 색의 변화를 수반하여 변환이 감소하기 시작하기 전에, 초기 약 20분동안 상기 NOx 변환이 증가되었다. 가솔린의 경우, 상기 촉매가 그들의 활동도를 즉시 잃어버리기 시작하였으며, 상기 촉매 베드의 전면이 회색빛 검정색으로 변하였다. 이러한 결과는 상기 SCR 공정동안 상기 촉매의 비활성화가 상기 촉매 표면상에 코크스가 형성됨에 기인하는 것을 나타낸다. 흥미있게도, 에탄올의 경우, 상기 촉매 활동도가 스트림 시간(time-on-stream)에 따라 개선되었으며, 상기 촉매 베드의 전면이 원래의 색인 흰색으로 남았다. 이와 같이 에탄올을 사용할때 촉매 비활성화가 발생하지 않는 것은 배기가스 처리 시스템에서 NOx 환원을 위한 환원제로서 에탄올 및 에탄올-함유 HC(85% 디젤연료와 15% 에탄올을 포함하는 E-디젤, 또는 85% 에탄올과 15% 가솔린을 포함하는 E-85와 같이)를 이용하는 것을 장려한다.When each reducing agent was tested, the percent conversion of NO x was plotted in minutes against the reduction catalyst operating time (“time-on-stream”). As shown in FIG. 3, higher conversion of NO x was achieved over the operating time of the reduction catalyst when using ethanol as the reducing agent, while other reducing agents tested (propylene and gasoline) initially had higher NO x. Conversion was achieved, but they quickly degraded the catalyst by coking. In the case of propylene, the NO x conversion was increased during the initial about 20 minutes before the conversion began to decrease with a change in catalyst color from the original white to a light brown at the front of the catalyst bed. In the case of gasoline, the catalysts immediately began to lose their activity and the front of the catalyst bed turned grayish black. These results indicate that deactivation of the catalyst during the SCR process is due to the formation of coke on the catalyst surface. Interestingly, for ethanol, the catalytic activity improved with time-on-stream and the front of the catalyst bed remained the original index white. The catalyst deactivation does not occur when using ethanol as a reducing agent for NO x reduction in an exhaust gas treatment system as ethanol and ethanol-containing HC (85% diesel fuel and E-diesel containing 15% ethanol, or 85%). Encouraging the use of ethanol and 15% gasoline).
실험 테스트가 상기 NOx 함유 배기가스 스트림으로 상기 오존 함유 플라즈마 및 에탄올을 도입하기 위한 바람직한 순서를 결정하기 위하여 또한 수행되었다. 이러한 테스트에서, E-85가 시린지 펌프를 이용하여 주입되었다. 몇몇 테스트에서, 상기 오존 함유 플라즈마가 상기 배기가스 스트림으로 도입되어 생각컨대 약간의 오존이 에탄올과 반응할 수 있기 전에, 상기 E-85가 상기 배기가스 스트림으로 주입되었다. 다른 테스트에서, 상기 에탄올은 오존 함유 플라즈마가 상기 배기가스 스트림으로 도입된 후에 주입되며, 그 결과 상기 시뮬레이트된 배기가스 혼합물만이 오존 함유 플라즈마에 의하여 처리되었다.Experimental tests were also performed to determine the preferred sequence for introducing the ozone containing plasma and ethanol into the NO x containing exhaust gas stream. In this test, E-85 was injected using a syringe pump. In some tests, the E-85 was injected into the exhaust stream before the ozone containing plasma was introduced into the exhaust stream, presumably some ozone could react with ethanol. In another test, the ethanol was injected after an ozone containing plasma was introduced into the exhaust stream, so that only the simulated exhaust mixture was treated by the ozone containing plasma.
상기 플라즈마 리액터 이후에 E85가 도입되는 경우보다 상기 플라즈마 리액터 이전에 E-85를 주입하는 것이 보다 많은 아세트알데히드(AA)를, 그러나 보다 적은 NO2를 제조함을 알 수 있었다. 제조된 AA의 양은 공급된 에탄올의 약 10%였으며, 이는 에탄올을 AA로 변환하기 위한 플라즈마의 효율이 낮음을 나타낸다. 상기 배기가스 스트림내 에탄올이 존재하는 것은 상기 플라즈마에 의하여 NO 대 NO2의 변환을 억제하는 것으로 또한 결론내려졌다. 따라서, 이러한 실험 테스트는 상기 오존 함 유 플라즈마가 도입되는 NOx 배기가스 스트림의 다운스트림으로 도입되는 것이 바람직함을 암시하였다.It was found that injecting E-85 before the plasma reactor produced more acetaldehyde (AA) but less NO 2 than when E85 was introduced after the plasma reactor. The amount of AA produced was about 10% of the supplied ethanol, indicating low plasma efficiency to convert ethanol to AA. It was also concluded that the presence of ethanol in the exhaust stream inhibits the conversion of NO to NO 2 by the plasma. Thus, this experimental test suggested that the ozone containing plasma is preferably introduced downstream of the NO x exhaust gas stream.
(a) 150~400℃에 걸친 촉매 온도 범위에서 상기 NOx 함량의 촉매 환원을 위하여 요구되는 에탄올의 양과, (b) 동일한 온도범위에 걸쳐 상기 비-열적 플라즈마 리액터에 요구되는 파워를 결정하기 위하여 실험 테스트가 또한 수행되었다. 이러한 테스트들에서 얻어진 데이터는 도 4에 요약된다. 도 4의 데이터는 150~400℃의 BaY-CuY 듀얼 베드 촉매 온도 범위에 걸쳐 최적화된 시스템 성능을 위한 EtOH/NOx 공급비와 플라즈마 파워 밀도의 반대되는 경향을 보여준다.to determine (a) the amount of ethanol required for catalytic reduction of the NO x content in the catalyst temperature range over 150-400 ° C., and (b) the power required for the non-thermal plasma reactor over the same temperature range. Experimental tests were also performed. The data obtained in these tests is summarized in FIG. 4. The data in FIG. 4 shows the opposite trend of EtOH / NO x feed ratio and plasma power density for optimized system performance over a BaY-CuY dual bed catalyst temperature range of 150-400 ° C. FIG.
도 4에서 실선 곡선은 보다 낮은 촉매 온도(예를 들면, 엔진 워밍업 온도)에서, 보다 많은 플라즈마 에너지가 요구됨을 보여준다. 상기 데이터는 상기 합성 배기가스를 이용한 이러한 테스트에서 약 18J/L의 파워 레벨이 150~200℃의 촉매온도에 걸쳐 요구되며, 그 이후 실질적으로 직선적으로 감소되고, 그 결과 약 400℃에서는 플라즈마 파워가 거의 요구되지 않음을 나타낸다. 따라서, 이러한 보다 높은 온도에서 상기 배기가스내 플라즈마-프리 산화 환경이 상기 본 비금속 제올라이트 듀얼-베드 촉매에 대한 환원을 위한 NO 대 NO2의 산화에 적합함을 보여준다.The solid curve in FIG. 4 shows that at lower catalyst temperatures (eg, engine warm up temperatures), more plasma energy is required. The data requires that a power level of about 18 J / L is required over a catalyst temperature of 150-200 ° C. in this test with the synthetic exhaust gas, and then substantially reduced linearly, resulting in plasma power at about 400 ° C. Almost not required. Thus, it is shown that at these higher temperatures the plasma-free oxidation environment in the exhaust gas is suitable for oxidation of NO to NO 2 for reduction to the present nonmetallic zeolite dual-bed catalyst.
이러한 실험 테스트는 또한 에탄올 대 NOx 함량의 보다 큰 몰비율이 상기 증가하는 촉매 온도와 함께 요구됨을 나타낸다. 도 4에 보여진 바와 같이, 에탄올 대 NOx 함량의 최적화된 몰 공급비는 150~400℃의 촉매 온도 범위에 걸쳐 약 5에서 25 로 점차적으로 증가한다. 이는 NOx를 위한 환원제로 이용되기 전, 보다 산화하는 분위기에서 산소에 의하여 산화되는 에탄올의 양이 많아짐이 명백함을 나타낸다.This experimental test also shows that a larger molar ratio of ethanol to NO x content is required with this increasing catalyst temperature. As shown in FIG. 4, the optimized molar feed ratio of ethanol to NO x content gradually increases from about 5 to 25 over the catalyst temperature range of 150-400 ° C. This indicates that the amount of ethanol that is oxidized by oxygen in a more oxidizing atmosphere is increased before it is used as a reducing agent for NO x .
최적화된 작동 조건하의 실험 테스트에서, NaY 및 CuY를 함유하는 듀얼-베드 촉매 리액터가 상기 환원제로 에탄올(E85)이 이용되었을 때, 200~400℃의 온도범위에 걸쳐 91%의 평균 NOx 변환이 얻어졌다. 상기 시뮬레이트된 배기가스 혼합물은 215ppm의 NO를 함유하였으며, 상기 NaY 베드를 통과하는 그것의 공간 속도(space velocity, SV)는 11K/hr였고, 상기 CuY 베드를 통과하는 그것의 공간 속도(SV)는 22K/hr였다. 150~400℃의 온도범위에 걸친 NOx 변환(%) 데이터는 도 5에서 그래픽적으로 나타내어진다. 상기 실험 테스트에서 이용된 최적화된 작동 조건은 다음과 같다; 탄화수소 대 질소산화물(HC/NOx)의 공급비는 촉매 온도에 따라 변하였으며(예를 들면, 400℃에서 24, 300℃에서 12 및 200℃에서 6), 이때 150~350℃의 촉매 온도 범위에 걸쳐 12J/L의 플라즈마 파워 상수를 유지하였고, 400℃에서 꺼졌다.In experimental tests under optimized operating conditions, a dual-bed catalytic reactor containing NaY and CuY exhibited 91% average NO x conversion over a temperature range of 200-400 ° C. when ethanol (E85) was used as the reducing agent. Obtained. The simulated exhaust gas mixture contained 215 ppm of NO, its space velocity (SV) through the NaY bed was 11 K / hr, and its space velocity (SV) through the CuY bed was 22 K / hr. NO x conversion (%) data over a temperature range of 150-400 ° C. is shown graphically in FIG. 5. The optimized operating conditions used in the experimental test were as follows; The feed ratio of hydrocarbon to nitrogen oxides (HC / NO x ) varied with catalyst temperature (eg, 24 at 400 ° C., 12 at 300 ° C. and 6 at 200 ° C.), with a catalyst temperature range of 150-350 ° C. A plasma power constant of 12 J / L was maintained over and turned off at 400 ° C.
실험-동력계 셋업(Experimental-Dynamometer Setup)Experimental-Dynamometer Setup
테스트가 4.9L 배기량의 6 실린더 디젤엔진을 가진 엔진 동력계로 수행되었다. 상기 엔진은 본 공정에 의하여 실험적으로 처리되기 위하여, 배기가스를 생산하기 위한 조절된 조건하에서 작동되었다. 이러한 실험 셋업은 도 6에 예시된다. 이것은 흐름 부피, 흐름 방향 및 다양한 흐름 스트림의 화학적 분석에 유연성을 허용하였다. 상기 디젤 배기가스의 부피는 상기 실험들에서 마련된 촉매 환원 리액터의 용적보다 컸다. 그래서, 상기 배기가스의 일부만이 이러한 테스트에 사용되었 다. 따라서, 사이드 스트림 라인(S)은 상기 주 배기 라인(M)으로부터 가져왔으며, 그것의 유동 속도는 도 8에 보여진 것처럼 백-압력 밸브(back-pressure valve)를 이용하여 조절되었다. 이후 사이드 스트림(S)은 다음과 같은 실험에 이용되었다. 상기 동력계 테스트를 위한 엔진 사양(specification) 및 실험 조건이 표 2에 요약된다.The test was performed with an engine dynamometer with a 6 cylinder diesel engine with a 4.9 L displacement. The engine was operated under controlled conditions to produce exhaust gas for experimental treatment by the present process. This experimental setup is illustrated in FIG. 6. This allowed flexibility in the flow volume, flow direction and chemical analysis of the various flow streams. The volume of the diesel exhaust was greater than the volume of the catalytic reduction reactor provided in the experiments. Thus, only part of the exhaust gas was used for this test. Thus, the side stream line S was taken from the main exhaust line M and its flow rate was adjusted using a back-pressure valve as shown in FIG. 8. Since the side stream (S) was used in the following experiment. Engine specifications and experimental conditions for the dynamometer tests are summarized in Table 2.
표 2. 엔진 동력계 테스트를 위한 대표적인 실험 조건Table 2. Representative Experimental Conditions for Engine Dynamometer Testing
엔진: 4.9L/6 실린더 Isuzu 엔진Engine: 4.9L / 6 Cylinder Isuzu Engine
속도(Speed) = 2000rpmSpeed = 2000 rpm
토크(Torque) = 60NmTorque = 60 Nm
EGR = 0EGR = 0
연료 = Chevron ULS(0.2ppm S)Fuel = Chevron ULS (0.2 ppm S)
Swedish(2ppm S)Swedish (2 ppm S)
Amoco Premium(400ppm S)Amoco Premium (400 ppm S)
배기가스 온도 = 240℃Exhaust gas temperature = 240 ℃
배기가스 조성:Exhaust Gas Composition:
HC = 180ppm C1 HC = 180 ppm C 1
NOx = 235ppmNO x = 235 ppm
O2 = 16.7%O 2 = 16.7%
CO2 = 3.3%CO 2 = 3.3%
CO = 0.11%CO = 0.11%
사이드 스트림상 플라즈마 리액터:Side stream plasma reactor:
실린더 형상Cylinder shape
SV = 60K/hSV = 60K / h
파워 밀도(Ep) = 18J/LPower Density (E p ) = 18 J / L
온도(Tp) = 25℃Temperature (T p ) = 25 ° C
사이드 스트림상 환원 촉매 리액터:Side stream phase reduction catalytic reactor:
촉매 = 단일체(NaY, BaY, CuY, DOC)Catalyst = Monolith (NaY, BaY, CuY, DOC)
리액터 = 2'' o.d. 스테인레스강 튜브Reactor = 2 '' o.d. Stainless steel tube
환원제 = E-디젤, 에탄올Reducing Agent = E-Diesel, Ethanol
SV = 5K~10K/h (NaY, BaY)SV = 5K ~ 10K / h (NaY, BaY)
20K~40K/h (CuY)20K ~ 40K / h (CuY)
온도(Tc) = 150~400℃Temperature (T c ) = 150 ~ 400 ℃
엔진으로부터의 배기가스 사이드 스트림:Exhaust side stream from the engine:
흐름 속도 = 10~20L/분Flow rate = 10 ~ 20L / min
상기와 같이 얻어진 디젤 배기가스 스트림은 상기 듀얼-베드 촉매(BaY+CuY)와 접촉하기 전에 팔라듐-계 디젤 산화 촉매(DOC) 및 세라믹 필터(Filter)상을 우선 통과하였다. 분석기(AN)에 의한 상기 산화된 스트림의 분석은 약간의 아세트알데히드가 이번 산화동안 형성되었음을 나타내었다. 상기 아세트알데히드는 NOx를 N2로 환원하기 위한 환원제로 유용함을 보여준다. 하이퍼플라즈마 리액터(HP) 및 E-디젤 저장소(E) 모두 상기 엔진 배기가스 스트림(S)의 외부에 위치되었다.The diesel exhaust stream thus obtained first passed through a palladium-based diesel oxidation catalyst (DOC) and a ceramic filter before contacting the dual-bed catalyst (BaY + CuY). Analysis of the oxidized stream by analyzer (AN) showed that some acetaldehyde was formed during this oxidation. The acetaldehyde has been shown to be useful as a reducing agent for reducing NO x to N 2 . Both the hyperplasma reactor (HP) and the E-diesel reservoir (E) were located outside of the engine exhaust stream (S).
상기 엔진 동력계 테스트에 이용되는 보다 높은 배기가스 스트림 흐름 속도를 도모하기 위하여, 형상 및 직경을 동일하게 유지하고 상기 실험 리액터의 플라즈마 형성 영역을 늘림에 의하여 보다 큰 플라즈마 리액터(HP)가 제조되었다. 즉, 상기 접지전극은 0.2cm의 간격을 가지고 상기 석영 튜브의 외부 표면 둘레를 20번의 완전한 회전으로 감은 Ni-코팅된 구리 와이어로 제조되었으며, 그 결과 플라즈마-형성 영역의 전체 길이는 4cm였다. 또한, 상기 전기적 주파수는 +/-7kV에서 2000Hz로 증가되었다. 상기 오존 함유 스트림(SS)은 배기가스 사이드 스트림(S)으로 주입되었다.In order to achieve higher exhaust gas stream flow rates used for the engine dynamometer testing, larger plasma reactors (HP) were manufactured by keeping the shape and diameter the same and increasing the plasma forming area of the experimental reactor. That is, the ground electrode was made of Ni-coated copper wire wound at 20 complete turns around the outer surface of the quartz tube with a spacing of 0.2 cm, with the result that the total length of the plasma-forming region was 4 cm. The electrical frequency was also increased to 2000 Hz at +/- 7 kV. The ozone containing stream (SS) was injected into the exhaust side stream (S).
상기 동력계 배기가스의 처리시, 순수 에탄올 또는 E-디젤 혼합물로부터 공기에 의하여 증발된 에탄올중 어느 하나가 상기 배기가스 스트림으로 주입되었다. 상기 E-디젤(85% 디젤 연료와 15% 에탄올로 된 용액)은 저장소(E)에 유지되었고, 공기는 상기 용액을 통하여 버블되어 고증기압의 디젤 연료로부터 실질적으로 순수 한 에탄올 증기를 분리하였으며, 이는 스트림(B)으로부터 배기가스 스트림(S)으로 전달된다. 상기 에탄올-함유 E-디젤 혼합물중 디젤 연료는 상기 환원제를 배기가스 스트림으로 전달하는 캐리어(carrier)로 작용한다. 높은 레벨의 NOx 변환을 유지하기 위하여, 요구되는 에탄올의 양은 전체 배기가스 스트림 조성의 약 0.1~1.0%일 수 있다.In treating the dynamometer exhaust gas, either ethanol evaporated from the pure ethanol or E-diesel mixture by air was injected into the exhaust stream. The E-diesel (solution of 85% diesel fuel and 15% ethanol) was kept in reservoir (E), and air was bubbled through the solution to separate substantially pure ethanol vapor from the high vapor pressure diesel fuel, It is delivered from the stream B to the exhaust stream S. Diesel fuel in the ethanol-containing E-diesel mixture acts as a carrier for delivering the reducing agent to the exhaust stream. In order to maintain high levels of NO x conversion, the amount of ethanol required may be about 0.1-1.0% of the total exhaust stream composition.
상온에서 상기 저장소를 나온 에탄올 함유 공기 스트림은 에탄올 증기로 포화되었음을 알 수 있었다. 상기 실험 셋업에서, 상기 오존 함유 플라즈마가 상기 배기가스내 약 235ppm의 NOx를 갖는 사이드 스트림(S)내 10L/분의 배기가스 흐름에 기반한 0.037㎤/분의 속도로 주입된 후, 상기 에탄올-함유 공기 스트림은 사이드 스트림(S)(스트림B)내 상기 배기가스로 주입될 수 있었다. 비교 실험의 목적으로, HP내에서 처리되는 공기 스트림을 따라 상기 플라즈마 리액터 HP(스트림A)로 에탄올 포화된 공기를 도입하기 위하여 설비가 또한 마련되었다.It was found that the ethanol containing air stream exiting the reservoir at room temperature was saturated with ethanol vapor. In the experimental setup, the ethanol- after the ozone containing plasma was injected at a rate of 0.037 cm 3 / min based on an exhaust gas flow of 10 L / min in the side stream (S) with about 235 ppm NO x in the exhaust. A containing air stream could be injected into the exhaust gas in the side stream S (stream B). For the purpose of the comparative experiments, a facility was also provided for introducing ethanol saturated air into the plasma reactor HP (stream A) along the air stream treated in HP.
NaY 제올라이트(Johnson Matthey)로 코팅된 표준 근청석 허니콤 브릭(cordierite honeycomb bricks)(6인치 길이의 5.66인치 직경)을 시작으로 하여 상기 환원 촉매가 마련되었다. 1.875인치 직경을 갖는 실린더 형상의 코어 피스가 2인치 홀 드릴(hole drill)을 이용하여 구멍이 뚫어졌다. BaY 및 CuY 버젼의 허니콤 브릭이 각각 Ba(NO3)2 및 Cu(NO3)2 전구체를 이용하여 NaY-코팅된 브릭의 수용성 이온-교환에 의하여 마련되었다. 이후, 상기 브릭은 대기조건하 500℃에서 4시간동안 하소되었다. 상기 허니콤 촉매는 2인치 o.d.의 스테인레스강 리액터 튜브로 삽 입되기 전에 절연 블랭킷(blanket)이 입혀졌다. 상기 듀얼-베드 리액터의 경우, 상기 NaY-코팅된(또는 BaY-코팅된) 브릭에 이어 상기 다운스트림내 CuY-코팅된 브릭이 뒤따른다. 상기 리액터 온도는 +/-1℃의 대표적인 정확도로 상기 리액터의 입구 및 출구 양쪽에서 모니터되었다. 이러한 온도는 상기 디젤엔진으로부터의 배기가스 스트림의 온도에 따라 변하였다.The reduction catalyst was prepared starting with standard cordierite honeycomb bricks (5.66 inches diameter by 6 inches long) coated with NaY Johnson Matthey. A cylindrical core piece having a 1.875 inch diameter was drilled using a 2 inch hole drill. BaY and CuY versions of honeycomb bricks were prepared by water-soluble ion-exchange of NaY-coated bricks using Ba (NO 3 ) 2 and Cu (NO 3 ) 2 precursors, respectively. The brick was then calcined at 500 ° C. for 4 hours under atmospheric conditions. The honeycomb catalyst was coated with an insulation blanket before being inserted into a 2 inch od stainless steel reactor tube. In the case of the dual-bed reactor, the NaY-coated (or BaY-coated) brick is followed by the CuY-coated brick in the downstream. The reactor temperature was monitored at both the inlet and outlet of the reactor with a representative accuracy of +/- 1 ° C. This temperature varied with the temperature of the exhaust stream from the diesel engine.
상기 배기가스의 화학 조성은 3개의 다른 위치에서 분석기(AN)에 의하여 모니터되었다: 상기 플라즈마 리액터로부터 오존 플라즈마가 도입되기 전, 상기 플라즈마가 도입된 후(그러나 촉매 리액터 이전), 그리고 상기 촉매 리액터 이후가 그것이다. Horiba에 의하여 제조된 자동차 배기가스 분석기(Mexa-7500 DEGR)이 상기 화학 분석을 위하여 이용되었으며, 이는 화학발광 NO/NOx 분석기, HFID HC 분석기, O2 분석기, 그리고 CO, CO2 및 N2O를 위한 IR 분석기를 포함하였다. 상기 HFID HC 분석기는 HC 및 유기 POHC로부터의 전체 탄소를 위하여 이용되었다. 약 300℃의 리액터 출구 온도에서 본 발명의 배기가스 처리방법을 이용하여 약 98%의 NOx 대 NO 변환을 달성하였다.The chemical composition of the exhaust gas was monitored by an analyzer (AN) at three different locations: before the ozone plasma was introduced from the plasma reactor, after the plasma was introduced (but before the catalytic reactor) and after the catalytic reactor. Is it. A vehicle exhaust gas analyzer (Mexa-7500 DEGR) manufactured by Horiba was used for the chemical analysis, which is a chemiluminescent NO / NO x analyzer, HFID HC analyzer, O 2 analyzer, and CO, CO 2 and N 2 O An IR analyzer was included. The HFID HC analyzer was used for total carbon from HC and organic POHCs. A NO x to NO conversion of about 98% was achieved using the exhaust gas treatment method of the present invention at a reactor outlet temperature of about 300 ° C.
상기 NOx 환원 방법의 수행시 상기 오존 함유 플라즈마(본 발명의 실시에 필수적인)의 효과는 도 7에 보여진다. 상기 배기가스가 5000/hr.의 공간 속도로 BaY 제올라이트 단일체를, 그리고 이후 20000/hr.의 공간 속도로 CuY 제올라이트 단일체를 통과한 후, 스트림(S)으로부터 데이터가 얻어졌다. 상기 엔진 배기가스는 Chevron ULS 연료를 이용하여 발생되었으며, HC 및 CO가 팔라듐 산화 촉매(DOC)를 이용하여 제거되었다.The effect of the ozone containing plasma (essential to the practice of the present invention) in carrying out the NO x reduction method is shown in FIG. 7. After the exhaust gas passed through BaY zeolite monolith at a space velocity of 5000 / hr. And then CuY zeolite monolith at a space velocity of 20000 / hr., Data was obtained from stream (S). The engine exhaust gas was generated using Chevron ULS fuel and HC and CO were removed using a palladium oxidation catalyst (DOC).
도 7에 보여진 바와 같이, NOx 대 NO의 변환이 ℃로 상기 듀얼 베드 촉매의 온도에 대하여 플롯되었다. 실선은 오존-함유 플라즈마를 이용한 NOx 변환을 나타내며("플라즈마 온(plasma on)"), 상기 플라즈마는 18J/L의 플라즈마 에너지를 이용하여 발생되었다. 점선은 플라즈마를 이용하지 않은 NOx 변환을 나타낸다("플라즈마 오프(plasma off)"). 통상적인 촉매 온도(약 300℃)에서, NOx의 보다 높은 변환(약 98%)이 플라즈마-온 상태에서 달성될 수 있으며, 반면에 보다 낮은 변환(약 78%)이 플라즈마-오프 상태에서 달성되었다. 상기 플라즈마-온의 경우, NOx 변환이 300℃의 경계(threshold)를 넘어 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 최대 변환은 상기 경계(threshold)에서 달성되었다. 비록 플라즈마-오프인 환원방법을 이용한 NOx의 변환이 온도가 증가함에 따라 증가하지만, 상기 플라즈마-오프의 경우 테스트된 어떠한 온도의 플라즈마-온의 경우처럼 높은 NOx 변환이 얻어지지 않았다. 그래프로부터 보여지는 것처럼, 상기 NOx 변환이 상기 플라즈마 파워가 꺼졌을 때 촉매 온도가 증가함에 따라 향상된다.As shown in FIG. 7, the conversion of NO x to NO was plotted against the temperature of the dual bed catalyst in degrees Celsius. Solid lines indicate NO x conversion using ozone-containing plasma (“plasma on”), which was generated using a plasma energy of 18 J / L. Dotted line represents NO x conversion without plasma (“plasma off”). At conventional catalyst temperatures (about 300 ° C.), higher conversions of NO x (about 98%) can be achieved in the plasma-on state, while lower conversions (about 78%) are achieved in the plasma-off state. It became. In the case of the plasma-on, the NO x conversion decreased as the temperature increased beyond the threshold of 300 ° C., and the maximum conversion was achieved at the threshold. Although the conversion of NO x using the plasma-off reduction method increases with increasing temperature, a high NO x conversion was not obtained with the plasma-off as in the case of plasma-on of any temperature tested. As can be seen from the graph, the NO x conversion improves with increasing catalyst temperature when the plasma power is turned off.
본 발명의 NOx 환원 시스템의 NOx 변환 수행시 상기 환원 리액터내 가스 공간 속도의 효과가 또한 테스트되었고, 여기에서 NaY 제올라이트가 환원 촉매로 이용되었다. 200~400℃의 온도 범위를 걸쳐 공간 속도가 감소함에 따라 NOx 변환 성능 이 개선되었으며, 5000/h 및 200℃에서 90%의 변환이 달성되는 결과를 보여주었다. 10000/h의 공간 속도의 경우, 촉매 온도에 따른 NOx 변환의 평균 변화율이 5000/h에서의 경우보다 약 2배가량 높았으며, 이는 역학 이론(kinetic theory)과 일치하였다. 이후 상기 실험 리액터 데이터는 상기 엔진 동력계 테스트 데이터와 비교되었으며, 상기 실험 셋업은 11000/h의 공간 속도에서 NaY 분말 촉매가 이용되었다. 5000/h의 공간 속도에서 실제 엔진 배기가스를 이용한 상기 동력계 테스트에서 이용된 상기 허니콤 촉매의 성능은 11000/h의 공간속도에서 상기 실험 시뮬레이트된 배기가스 스트림에 이용된 분말 촉매의 성능과 대략 같았다. 이는 2.2의 촉매 부피비가 동일한 성능의 경우 상기 분말 촉매와 허니콤 촉매사이에 적용될 수 있음을 나타낸다. 따라서, 허니콤 촉매의 벌크 부피는 동일한 성능을 유지하기 위하여 분말 촉매보다 약 2배 가량 커야만 한다.The effect of the gas space velocity in the reduction reactor in the NO x conversion of the NO x reduction system of the present invention was also tested, where NaY zeolite was used as the reduction catalyst. As the space velocity decreases over the temperature range of 200-400 ° C, NO x conversion performance is improved and 90% conversion is achieved at 5000 / h and 200 ° C. For the space velocity of 10000 / h, the average rate of change of NO x conversion with catalyst temperature was about 2 times higher than at 5000 / h, which is consistent with the kinetic theory. The experimental reactor data was then compared with the engine dynamometer test data, and the experimental setup used a NaY powder catalyst at a space velocity of 11000 / h. The performance of the honeycomb catalyst used in the dynamometer test with real engine exhaust at a space velocity of 5000 / h was about the same as that of the powder catalyst used in the experimental simulated exhaust stream at a space velocity of 11000 / h. . This indicates that a catalyst volume ratio of 2.2 can be applied between the powder catalyst and the honeycomb catalyst for the same performance. Therefore, the bulk volume of the honeycomb catalyst must be about two times larger than the powder catalyst to maintain the same performance.
도 8은 NOx 변환 수행을 위한 2개의 다른 E-디젤 주입 모드의 효율을 비교한다: 플라즈마 주입전과 주입후가 그것이다. 플라즈마 주입전의 경우, 상기 에탄올은 상기 공기 스트림으로 주입되어(도 8의 스트림 A) HP로 도입되며, 따라서 상기 SS 스트림의 일부로써 상기 하이퍼플라즈마 리액터내에서 처리되어 상기 배기가스로 도입된다. 플라즈마 주입후의 경우, 상기 에탄올이 플라즈마 주입의 배기가스 다운스트림, 스트림 SS로 주입되었다(도 8의 스트림 B). 도 8에 나타낸 것처럼, E-디젤의 플라즈마 주입 이후는 200 및 300℃의 양쪽에서 상기 플라즈마 주입 이전에 비하여 약간 더 좋은 NOx 변환을 달성한다.8 compares the efficiency of two different E-diesel injection modes for performing NO x conversion: before and after plasma injection. Prior to plasma injection, the ethanol is injected into the air stream (stream A in FIG. 8) and introduced into HP, thus treated in the hyperplasma reactor as part of the SS stream and introduced into the exhaust gas. After plasma injection, the ethanol was injected into stream SS, downstream of the plasma injection (stream B of FIG. 8). As shown in FIG. 8, after plasma injection of the E-diesel, slightly better NO x conversion is achieved than before the plasma injection at both 200 and 300 ° C.
촉매의 효율을 시험하는 또 다른 방법으로, 상기 촉매 베드의 온도 변화를 다음과 같이 비교하였다. 우선, E-디젤의 상기 플라즈마 주입후 시스템(플라즈마 +촉매)은 그것이 안정된 상태에 도달할때까지 안정되었으며, 그 결과 상기 촉매 출구에서의 온도는 바람직한 온도(예를 들면, 200 또는 300℃)로 유지된다. 이후, 상기 E-디젤 주입 모드가 상기 플라즈마 주입 전 모드로 스위치되었고, 동시에 상기 플라즈마 주입후로부터 플라즈마 주입전으로의 이러한 스위치에 기인한 온도변화가 모니터되었다. 200 또는 300℃의 어느 하나에서, CO 및 CO2 레벨의 증가와 동반하여, 이러한 스위치에 기인한 상당한 온도 상승이 있었다. 이는 플라즈마 주입후와 비교하여 상기 플라즈마 주입 전에 E-디젤의 개선된 산화(연소)를 나타내며, 이는 비록 작은 차이이기는 하지만 감소된 NOx 변환 성능을 초래한다. 상기 실험 테스트와 상기 동력계 테스트의 2가지 관찰에 기반하여, 상기 에탄올-계 환원제가 효율적인 NOx 환원을 위한 플라즈마에 의하여 처리되는 것을 요구하지 않음을 결론지을 수 있다. 바람직하게, 에탄올은 요구되는 양으로 분리되어, 그리고 상기 오존-함유 플라즈마 주입의 다운스트림으로 도입되었다.As another method of testing the efficiency of the catalyst, the temperature change of the catalyst bed was compared as follows. First, the system after plasma injection of E-diesel (plasma + catalyst) was stabilized until it reached a stable state, so that the temperature at the catalyst outlet was at a desired temperature (eg 200 or 300 ° C.). maintain. The E-diesel injection mode was then switched to the pre-plasma injection mode and at the same time the temperature change due to this switch from after the plasma injection to before the plasma injection was monitored. At either 200 or 300 ° C., with the increase of CO and CO 2 levels, there was a significant temperature rise due to this switch. This represents an improved oxidation (combustion) of the E-diesel before the plasma injection as compared to after the plasma injection, which leads to a reduced NO x conversion performance, albeit a small difference. Based on two observations of the experimental test and the dynamometer test, it can be concluded that the ethanol-based reducing agent does not require treatment with a plasma for efficient NO x reduction. Preferably, ethanol was separated in the required amount and introduced downstream of the ozone-containing plasma injection.
본 발명의 방법은 상기 연료내 황 함량이 존재함에도 불구하고, 디젤 엔진에 이용되는 어떠한 타입의 연료의 이용에도 적용될 수 있다. 실험은 각각 0.2ppm의 S, 2ppm의 S 및 400ppm의 S 함량을 갖는 Chevron ULS, Swedish 및 Amoco premium을 포함하는 3가지 다른 연료를 이용하여 수행되었다. 300℃의 대표적인 촉매 온도에서, 상기 연료내 S함량의 존재는 상기 NOx 변환에 크게 영향을 미치지 않는다.The method of the present invention can be applied to the use of any type of fuel used in diesel engines despite the presence of sulfur in the fuel. Experiments were performed using three different fuels, including Chevron ULS, Swedish and Amoco premium, with 0.2 ppm S, 2 ppm S and 400 ppm S content, respectively. At a representative catalyst temperature of 300 ° C., the presence of S content in the fuel does not significantly affect the NO x conversion.
본 발명은 바람직한 예시를 위하여 설명되기는 하였지만, 이러한 상세한 설명에 의하여 제한되는 것은 아니며, 다음의 청구항의 범위내에서만 제한된다.Although the present invention has been described for the purpose of illustration, it is not intended to be limited by this detailed description, but only within the scope of the following claims.
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